Neuer piezoelektrischer Werkstoff für Hochfrequenz-Filter in Smartphones

18.03.2020Redakteur: Kristin Rinortner

Um den stetig wachsenden mobilen Datenverkehr zu bewältigen, werden neue Mobilfunkstandards wie 5G umgesetzt. Allerdings müssen dazu auch Bauelemente für höhere Frequenzen ausgelegt werden. Aluminiumscandiumnitrid (AlScN) ist der Werkstoff für die nächste Generation.

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Aluminiumscandiiumnitrid: AlScN ist ein vielversprechender Werkstoff für die Mobilfunk-Kommunikation für 5G-Netze, Breitband-Stromsensoren und HEMTs.
(Bild: Fraunhofer IAF)

Die Fähigkeit piezoelektrischer Materialien, elektrische Ladung in mechanische Vibration und mechanische Belastung in elektrische Signale umzuwandeln, wird in elektroakustischen Filtern, in Biosensoren oder bei der Energiegewinnung angewendet. Aufgrund der guten Kompatibilität mit Silizium-Technologien, der hohen thermischen Stabilität und der hohen akustischen Geschwindigkeit wird das piezoelektrische Aluminiumnitrid (AlN) in Frequenzfiltern für die Mobilkommunikation derzeit am häufigsten verwendet.

Allerdings sind die relativ geringe elektromechanische Kopplung und der relativ niedrige piezoelektronische Koeffizient limitierende Faktoren für Anwendungen, die höhere Frequenzen (oberhalb von 3 GHz) benötigen. Die nächste Generation von piezoelektrischen Materialien basiert deshalb auf Aluminiumscandiumnitrid (AlScN).

Durch das Beifügen von Scandium (Sc) zu AlN wird die elektromechanische Kopplung und der piezoelektrische Koeffizient des Materials erhöht und so eine effizientere Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie ermöglicht. Das wiederum erlaubt die Entwicklung von deutlich effizienteren HF-Bauelementen.

Einem industriellen Einsatz des Halbleiters stand bislang entgegen, dass sich nur eine metastabile AlScN-Kristallphase ausbildet, da es während des Wachstums zu einer Entmischung von AlN und ScN kommt.

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF forscht seit 2015 an diesem Werkstoff. Im Rahmen des Projekts „PiTrans“ ist es dem Team um Dr. Agnė Žukauskaitė gelungen, Aluminiumscandiumnitrid mit den nötigen spezifischen Anforderungen auf Silizium-Substrate mittels Sputter-Epitaxie aufwachsen zu lassen und elektroakustische Bauteile für Smartphones zu realisieren. „Als das Projekt 2015 startete, kannten wir das Potenzial von AlScN, aber wir standen vor der Aufgabe, einen Weg zu finden, um das Material in einem stabilen und skalierbaren Prozess aufwachsen zu lassen“, erinnert sich Dr. Žukauskaitė.

Die piezoelektrischen Eigenschaften von AlN basieren auf seiner Kristallstruktur (Wurtzit) und der Ausbildung von Dipolen. Wurtzit-Kristalle besitzen aufgrund der vertikalen Asymmetrie in der Elementarzelle einen permanenten Dipol. Durch den Einbau von Scandium (Sc) in das AlN-Gitter wird ein hoch metastabiles System geschaffen, welches leichter zu deformieren ist: Das metastabile, kubisch flächenzentrierte Scandiumnitrid (ScN) konkurriert mit dem wurtzitischen AlN um eine metallische Bindung zum Stickstoff, was eine Schwächung der atomaren Bindung verursacht.

Industrietaugliche Bauteile auf 200 mm Wafern

Im Zuge des Projekts ist es den Forschenden des Fraunhofer IAF gelungen, kristalline AlScN-Schichten mit unterschiedlichen Sc-Anteilen bis zu 41% aufwachsen zu lassen. Dabei wurde eine gute Homogenität der Schichten über den gesamten Siliziumwafer mit einem Durchmesser von 200 mm erreicht. Neben diesen industrierelevanten Ergebnissen gelang es dem Team auch, ein in allen Raumrichtungen definiertes Wachstum von AlScN auf Saphir (Al₂O₃)-Substraten mittels Magnetron-Sputter-Epitaxie (MSE) zu realisieren, was für zukünftige Materialforschung wichtig ist.

Bild 1: Piezoelektrische Eigenschaften von den am Fraunhofer IAF entwickelten AlScN-Schichten im Vergleich mit den Ergebnissen anderer Forschungseinrichtungen.
(Bild: Fraunhofer IAF)

Zusätzlich stellten die Forschenden drei Generationen von Teststrukturen her, um die Leistung der entwickelten AlScN-Dünnschichten zu demonstrieren. Die Implementierung der MSE zur Herstellung von Resonatoren auf Basis von AlScN bzw. Al₂O₃ führte zu einer Verbesserung der elektromechanischen Kopplung bis zu 10% bei einer Frequenz von 2 GHz.

In Zusammenarbeit mit den Firmen Evatec und Qualcomm konnte auch eine unpolare AlScN-Dünnschicht entwickelt werden, durch die die elektromechanische Kopplung von SAW-Resonatoren noch weiter verbessert wurde. Diese Technologie wird aktuell noch weiter erforscht und erste Ergebnisse sind kürzlich in einer wissenschaftlichen Publikation veröffentlicht worden.

AlScN: Die Herausforderungen Stark piezoelektrische Aluminiumscandiumnitrid(AlScN)-Kristalle mit einer vertikalen Asymmetrie in der Einheitszelle (z.B. AlN) weisen ein permanentes Dipolmoment auf. Durch den Einbau von ScN in das AlN-Gitter entsteht der metastabile Wurtzit-Typ AlScN. Dabei führt die unterschiedliche Koordination von Aluminium und Scandium mit den Stickstoffatomen zu einer Schwächung der Gitterbindungen und das Material lässt sich leichter verformen. Die Leistung von HF-Filtern ist stark von der Materialqualität abhängig. Piezoelektrische Schichten mit hoher kristalliner Qualität, Dickenhomogenität und geringen Eigenspannungen erfordern eine sorgfältige Anpassung der Wachstumsparameter sowie der Substratvorbereitung. Aufgrund der oben erwähnten Metastabilität muss die Synthese von AlScN sogar noch genauer kontrolliert werden, um eine Phasentrennung zu verhindern und eine homogene Zusammensetzung auf WaferSkala zu gewährleisten.

Weitere AlScN-Anwendungen: Stromsensoren und HEMT

„Wir sehen in AlScN ein großes Potenzial für zukünftige Anwendungen, die von dem piezoelektrischen Effekt profitieren. Dazu gehören vor allem Sensortechnologien und Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit“, erklärt Žukauskaitė. Im aktuellen Projekt „mAgnes“ werden Breitband-Stromsensoren, wie sie beispielsweise in Elektrofahrzeugen zur Anwendung kommen, erforscht und im Projekt „SALSA“ entwickeln die Forscher derzeit neuartige schaltbare Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs).

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